Abstract Consciousness is not explained by a single mechanism, rather it involves multiple specialized neural systems overlapping in space and time. We hypothesize that synergistic, large-scale subcortical and cortical attention and signal processing networks encode conscious experiences. To identify brain activity in conscious perception without overt report, we classified visual stimuli as perceived or not using eye measurements. Report-independent event-related potentials and functional magnetic resonance imaging (fMRI) signals both occurred at early times after stimuli. Direct recordings revealed a novel thalamic awareness potential linked to conscious visual perception based on report. fMRI showed thalamic and cortical detection, arousal, attentional salience, task-positive, and default mode networks were involved independent of overt report. These findings identify a specific sequence of neural mechanisms in human conscious visual perception. One-Sentence Summary Human conscious visual perception engages large-scale subcortical and cortical networks even without overt report.

Abstract Understanding the neural basis of consciousness is a fundamental goal of neuroscience. Many of the studies tackling this question have focused on conscious perception, but these studies have been largely vision-centric, with very few involving tactile perception. Therefore, we developed a novel tactile threshold perception task, which we used in conjunction with high-density scalp electroencephalography and eye-metric recordings. Participants were delivered threshold-level vibrations to one of the four non-thumb fingers, and were asked to report their perception using a response box. With false discovery rate (FDR) mass univariate analysis procedures, we found significant event-related potentials (ERP) including bilateral N140 and P300 for perceived vibrations; significant bilateral P100 and P300 were found following vibrations that were not perceived. Significant differences between perceived and not perceived trials were found bilaterally in the N140 and P300. Additionally, we found that pupil diameter and blink rate increased and that microsaccade rate decreased following vibrations that were perceived relative to those that were not perceived. While many of the signals are consistent with similar ERP-findings across sensory modalities, our results indicating a significant P300 in not perceived trials raise more questions regarding P300’s perceptual meaning. Additionally, our findings support the use of eye metrics as a measure of physiological arousal as pertains to conscious perception, and may represent a novel path toward the creation of tactile no-report tasks in the future. Abstract Figure Highlights A novel tactile perceptual threshold task yields robust behavioral results Event-related potentials differ according to perception status P300 is observed in both perceived and not perceived trials Blink rate, pupil diameter, and microsaccades differ across trial conditions

Abstract Afterimages are illusory, visual conscious perceptions. A widely accepted theory is that afterimages are caused by retinal signaling that continues after the physical disappearance of a light stimulus. However, afterimages have been reported without preceding visual, sensory stimulation (e.g., conditioned afterimages and afterimages induced by illusory vision). These observations suggest the role of top-down, brain mechanisms in afterimage conscious perception. Therefore, some afterimages may share perceptual features with sensory-independent conscious perceptions (e.g., imagery, hallucinations, and dreams) that occur without bottom-up, sensory input. In the current investigation, we tested for a link between the vividness of visual imagery and afterimage conscious perception. Participants reported their vividness of visual imagery and perceived sharpness, contrast, and duration of negative afterimages. The afterimage perceptual features were acquired using perception matching paradigms that were validated on image stimuli. Relating these perceptual reports revealed that the vividness of visual imagery positively correlated with afterimage contrast and sharpness. These behavioral results support shared neural mechanisms between visual imagery and afterimages. This study encourages future research combining neurophysiology recording methods and afterimage paradigms to directly examine the neural mechanisms of afterimage conscious perception.

Abstract Afterimages are illusory, visual conscious perceptions. A widely accepted theory is that afterimages are caused by retinal signaling that continues after the physical disappearance of a light stimulus. However, afterimages have been reported without preceding visual, sensory stimulation (e.g. conditioned afterimages and afterimages induced by illusory vision). These observations suggest the role of top-down brain mechanisms in afterimage conscious perception. Therefore, some afterimages may share perceptual features with sensory-independent conscious perceptions (e.g. imagery, hallucinations, and dreams) that occur without bottom-up sensory input. In the current investigation, we tested for a link between the vividness of visual imagery and afterimage conscious perception. Participants reported their vividness of visual imagery and perceived sharpness, contrast, and duration of negative afterimages. The afterimage perceptual features were acquired using perception matching paradigms that were validated on image stimuli. Relating these perceptual reports revealed that the vividness of visual imagery positively correlated with afterimage contrast and sharpness. These behavioral results support shared neural mechanisms between visual imagery and afterimages. However, we cannot exclude alternative explanations, including demand characteristics and afterimage perception reporting inaccuracy. This study encourages future research combining neurophysiology recording methods and afterimage paradigms to directly examine the neural mechanisms of afterimage conscious perception.

Abstract Pupillometry is a popular method because pupil size is an easily measured and sensitive marker of neural activity and associated with behavior, cognition, emotion, and perception. Currently, there is no method for monitoring the phases of pupillary fluctuation in real time. We introduce rtPupilPhase – a software that automatically detects trends in pupil size in real time, enabling novel implementations of real time pupillometry towards achieving numerous research and translational goals.

The origins of awareness of action (AoA), the ability to report an action just performed, remain elusive. Differing theories ascribe AoA to pre-action, efferent motor/volitional mechanisms versus post-action, afferent sensory/perceptual neural mechanisms. To study these two types of mechanisms and others, we developed a paradigm where very similar aware and unaware actions occur repeatedly. Aware actions demonstrated larger neurophysiological signals both preceding and following movement. The differences included well-known volitional and perceptual event related potentials (PMP, N140, P300), as well as frontal midline theta, event-related alpha/beta desynchronization, and post-move blink rates. On longer time scales, we identified a novel event related potential preceding unaware moves, and found behavioral and pupillometric evidence for decreased attention and arousal over minutes concurrent with AoA loss. Our findings suggest that both dynamic, individual action-associated volitional and perceptual neural activity, as well as long-term attention and arousal states play a role in maintaining AoA.

Abstract Although recent work has made significant headway in understanding the temporal and spatial dynamics of the neural mechanisms of conscious perception, much of that work has focused on visual paradigms. To determine whether there are shared mechanisms for perceptual consciousness across sensory modalities, here we developed a task to test within the auditory domain. Participants (n=31) completed an auditory perceptual threshold task while undergoing intracranial electroencephalography (icEEG) for intractable epilepsy. Intracranial recordings from over 2,800 grey matter electrodes representing widespread cortical coverage were analyzed for power in the high gamma range (40–115 Hz)—a frequency range that reflects local neural activity. For trials that were perceived, we find activity in early auditory regions which is accompanied by activity in the right caudal middle frontal gyrus, and shortly thereafter by activity in non-auditory thalamus. This is followed by a wave of activity that sweeps through the higher auditory association regions and into parietal and frontal cortices, similar to the wave observed in our visual conscious perception paradigm. However, for not perceived trials, we find that significant activity is restricted to early auditory regions (and areas immediately adjacent to the Sylvian fissure). These findings show that the broad anatomical regions of cortical and subcortical networks involved in auditory perception are similar to the networks observed with vision, suggesting shared general mechanisms for conscious perception.

Although recent work has made headway in understanding the neural temporospatial dynamics of conscious perception, much of that work has focused on visual paradigms. To determine whether there are shared mechanisms for perceptual consciousness across sensory modalities, here we test within the auditory domain. Participants completed an auditory threshold task while undergoing intracranial electroencephalography. Recordings from >2,800 grey matter electrodes were analyzed for broadband gamma power (a range which reflects local neural activity). For perceived trials, we find nearly simultaneous activity in early auditory regions, the right caudal middle frontal gyrus, and the non-auditory thalamus; followed by a wave of activity that sweeps through auditory association regions into parietal and frontal cortices. For not perceived trials, significant activity is restricted to early auditory regions. These findings show the cortical and subcortical networks involved in auditory perception are similar to those observed with vision, suggesting shared mechanisms for conscious perception.

Conscious perception of visual stimuli involves large-scale brain networks with multiple activation-deactivation dynamics. Previous works have shown that early detection networks may be switched off about 200ms to 300ms after presentation of a visual stimulus. We hypothesize that these deactivations represent a selective control mechanism of the brain to conserve resources for post-perceptual processing. To this end, we used attentional blink as a behavioral measure for this mechanism. We showed that attentional blink is more likely to occur when a previous visual stimulus was consciously perceived. Using high-resolution eye-tracking, we found prolonged decrease in pupil diameter and transient decrease in blink probability associated with attentional blink. Using scalp EEG data, we further showed that attentional blink is associated with more pronounced event-related potentials related to visual processing and report.

Pupillometry is a popular method because pupil size is easily measured and sensitive to central neural activity linked to behavior, cognition, emotion, and perception. Currently, there is no method for online monitoring phases of pupil size fluctuation. We introduce rtPupilPhase-an open-source software that automatically detects trends in pupil size in real time. This tool enables novel applications of real-time pupillometry for achieving numerous research and translational goals. We validated the performance of rtPupilPhase on human, rodent, and monkey pupil data, and we propose future implementations of real-time pupillometry.